logo

Определение коммутационного ресурса синхронного вакуумного выключателя среднего напряжения в процессе эксплуатации

06.02.2019

Определение коммутационного ресурса синхронного вакуумного выключателя среднего напряжения в процессе эксплуатации

УДК 621.3.027.5

 

Определение коммутационного ресурса синхронного вакуумного выключателя среднего напряжения в процессе эксплуатации

 

Павлюченко Д.А., канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой систем электроснабжения предприятий;

Прохоренко Е.В., канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой систем сбора и обработки данных;

Шевцов Д.Е., старший преподаватель кафедры систем электроснабжения предприятий.

Новосибирский государственный технический университет, 630073, г. Новосибирск, проспект К. Маркса, 20.

 

    Аннотация

 В работе проведен обзор существующих методов оценки коммутационного ресурса выключателей, а также устройств мониторинга состояния выключателя. Предложена методика определения остаточного ресурса синхронного вакуумного выключателя на основе получения данных в режиме реального времени.

 

   Ключевые слова

 Коммутационный ресурс, мониторинг состояния выключателя, синхронный вакуумный выключатель.

 

   Введение

  Одной из тенденций развития современной электроэнергетики является переход от планово-предупредительных ремонтов к обслуживанию оборудования по состоянию. При этом такой переход требует внедрения устройств и программного обеспечения, позволяющего в режиме реального времени осуществлять мониторинг и анализ состояния соответствующего оборудования. Например, для выключателей среднего и высокого напряжений актуальны системы оценки их текущего состояния и уровня коммутационного износа или согласно ГОСТ Р 52565-2006 [1] – остаточного ресурса по коммутационной стойкости.

  Учет механического ресурса может производиться при каждом срабатывании привода выключателя независимо от протекания или отсутствия тока. Механический ресурс выключателя обычно задается в паспортных данных. Так как его величина характеризует работу выключателя без токовой нагрузки, то обычно нет необходимости рассчитывать и прогнозировать его значение за исключением специфических особенностей эксплуатации [2].

  Коммутационный ресурс без осмотра и ремонта дугогасительного устройства определяется допустимым для выключателя суммарным числом операций включения и отключения при нагрузочных токах и токах КЗ. Как видно, данное определение не устанавливает ни количества операций, ни значений коммутируемого тока, ни типа выполняемых операций (отключения или включения), ни параметров следующей операции, в которой может произойти отказ выключателя. Попытки ввести однозначность в понятие коммутационного ресурса, например, количество операций отключения номинального тока отключения, не удались, во-первых, из-за дороговизны подобной процедуры (необходимо проводить достаточно большую серию испытаний при одинаковых условиях, что выходит за рамки типовых испытаний), а во-вторых, из-за того, что, как показывает статистика, выключатели за время жизни практически ни разу не отключают токи, по значению близкие к номинальным токам отключения [3].

  Исходя из этого, предпринимаются попытки предложить подходы к оценке коммутационного ресурса, в которых при подсчете ресурса можно использовать различные значения коммутируемого тока. В основе этого лежит предположение, что каждая коммутационная операция приводит к некоторому износу контактов и других элементов дугогасительной камеры, ограничивая срок службы, и что в зависимости от значения коммутируемого тока в процентах от номинального тока отключения этот износ можно оценить. Такое приближение к оценке коэффициента износа при разных токах отключения принято в документах МЭК [4].

  На базе подобного подхода разрабатываются методы и устройства учета коммутационного ресурса выключателя различными исследовательскими организациями и производителями электрооборудования, в том числе и отечественным.

 

Существующие методы оценки коммутационного ресурса выключателей

На настоящее время существует несколько подходов по определению коммутационного ресурса выключателей. Их можно разделить на две основные группы:

1.     методы, основанные на построении зависимости допустимого числа коммутаций от величины коммутируемого тока на основании паспортных данных выключателя;

2.     методы, учитывающие совокупность параметров, на основании данных о которых формируется интегральный показатель уровня технического состояния выключателя.

Все рассматриваемые методы позволяют получить величину коммутационного ресурса. На основании результирующих численных значений ресурса можно сделать выводы об уровне технического состояния оборудования с той или иной степенью точности. В то же время каждая группа методов имеет свои характерные достоинства и недостатки.

К первой группе можно отнести методы, изложенные в [5,6], в частности методику НИЦ ВВА [6]. Расход коммутационного ресурса определяется по зависимости допустимого количества отключений (включений) от тока, которые строятся на основании данных предприятий-изготовителей. Отличия подходов в данной группе заключаются лишь в способе задания и построения зависимости допустимого числа коммутаций от величины коммутируемого тока.

 

Рис. 1. Пример зависимости допустимого количества отключений и включений для выключателей

  Эти методы учитывают лишь один единственный эксплуатационный фактор – коммутируемый ток. Однако необходимо отметить, что данный фактор оказывает наибольшее влияние на значение ресурса, так как оказывает тепловое, электрическое, механическое и косвенно химическое воздействие на оборудование [2].

    Износ дугогасительного устройства выключателя при отключении (включении) токов КЗ зависит от многих факторов: вида КЗ, наличия апериодической составляющей в токе, времени горения дуги, состояния дугогасительного устройства и др. При определении необходимости вывода выключателя в ремонт после коммутации токов КЗ влияние этих факторов усредняется и вводится понятие расхода коммутационного ресурса. Принимается, что если при токе I допустимое количество отключений составляет noI, то за одно отключение расходуется I/noI часть полного ресурса [6].

    Методы второй группы представляют собой экспертные системы, которые позволяют учесть большое количество эксплуатационных факторов [7,8]. В данном случае в результате обработки замеров, полученных на базе различных инструментальных методов контроля, экспертная система с использованием весовых коэффициентов для учета совокупности факторов формирует обобщенную интегральную оценку состояния аппарата. Тем не менее, данный подход обладает существенными недостатками, заключающимся как в необходимости оснащения анализируемого аппарата набором измерительных устройств, что существенно и недопустимо увеличивает стоимость выключателя, так и в сложности определения весовых коэффициентов, от качества которых напрямую зависит результат оценки.

   Ряд подходов представлены в качестве патентов [9,10], в которых также представлены способы определения коммутационного ресурса выключателей.

    Существующие системы и устройства мониторинга выключателей

  Интеллектуальное устройство управления, мониторинга и диагностики выключателя SynchroTeq Plus.

  SynchroTeq Plus канадской компании VIzimax представляет собой интеллектуальное устройство управления коммутацией выключателей высокого и среднего напряжения с пофазным или трехфазным управлением. Однако помимо функций управления, SynchroTeq Plus выполняет также мониторинг состояния выключателя и сигнализирует о нарушениях в его работе.

  Достоинством SynchroTeq Plus является возможность установки как на новых, так и на действующих выключателях. В настоящее время SynchroTeq Plus успешно применяется во многих странах мира на самых современных и более ранних моделях выключателей таких производителей, как ABB, Siemens, Alstom и т.д. [11].

Контроль контактов SiCEA01.

Анализатор износа контактов SiCEA01 производства Siemens используется для определения степени износа контактов выключателей как основного признака для оценки и мониторинга состояния выключателя. Износ контактов рассчитывается на основании отключаемых токов выключателя. Полученный результат сравнивается с контрольными значениями. Если результат сравнения превышает значение подачи сигнала предупреждения или тревоги, активируется соответствующий сигнальный контакт, сигнальная лампа на анализаторе указывает на текущее состояние. Посредством сигнала предупреждения или тревоги анализатор SiCEA01 показывает, что контактная система выключателя изношена до определенной степени – это позволяет планировать проведение сервисных работ [12].

Мониторинг состояния элегазовых выключателей Circuit Breaker Sentinel.

Компания АBB, обладая богатым опытом конструирования и производства высоковольтных выключателей, разработала перспективные алгоритмы их мониторинга. Circuit Breaker Sentinel (CBS) производства АBB не только собирает и хранит данные, но и проводит их математическую обработку и анализ для получения наиболее полной картины о состоянии выключателей. Устройство CBS – это система для диагностики и мониторинга элегазовых выключателей 35кВ и выше. Устройство состоит из микропроцессорного модуля и датчиков. Устройство помещается в корпус, монтируемый внутри шкафа управления, или в дополнительный корпус, прикрепляемый к боковой стенке шкафа управления [13].

Устройство учета ресурса выключателей УУРВ-М.

Устройство разработано отечественным НИИТМ совместно с НИИВА. УУРВ-М обеспечивает:

·        учет коммутационного ресурса при каждой операции отключения (включения) тока КЗ в принятых единицах (процентах) с учетом апериодической составляющей;

·        учет механического ресурса при каждом отключении (включении) приводом выключателя тока КЗ, номинального тока или при срабатывании без тока нагрузки по всем трем фазам;

·        оценку израсходованного и остаточного ресурсов;

·        передачу выходных параметров по каналу RS-485 [3].

Устройство мониторинга высоковольтного выключателя АВМ-ВК.

Устройство производства ООО «АСУ-ВЭИ» выполняет:

·        контроль расхода механического и коммутационного ресурса выключателя;

·        контроль целостности цепей соленоидов включения/отключения.

Достоинства:

·        возможность применения на различных типах выключателей: баковый, колонковый, воздушный, масляный, элегазовый, с пружинным или гидравлическим приводом;

·        наличие функции цифрового осциллографа для регистрации главных токов в процессе включения/отключения;

·        возможность объединения в локальную сеть с непосредственным выходом в АСУ ТП верхнего уровня;

·        экономичное решение для высоковольтных выключателей с общим приводом [14].

Также следует отметить программное обеспечение ООО «НТЦ «ГОСАН» для мониторинга и оценки коммутационного ресурса выключателей. Система «Ресурс» разработана для оперативной оценки состояния высоковольтных выключателей и автоматизации расчета их остаточного коммутационного ресурса [15].

 

    Предлагаемая методика учета коммутационного ресурса выключателя

   В основном все описанные выше подходы предполагают использование данных, полученных в результате проведения предприятием-изготовителем большого количества предварительных испытаний выключателя определенного типа с конкретными техническими характеристиками с последующим обязательным выходом его из строя. Результаты таких многократных испытаний (и многократных выходов из строя аппаратов) представляют собой требуемую кривую возможного количества коммутаций в зависимости от тока. Сложность и дороговизна этой операции определяют актуальность формирования новых способов определения коммутационного ресурса.

  Кроме того, предложенные подходы не учитывают или учитывают лишь косвенно некоторые дополнительные характеристики коммутаций: вид КЗ, длительность протекания дуги в каждой коммутационной операции, используемой при подсчете коммутационного ресурса и т.д.

  Таким образом, задачей является создание простой и эффективной методики определения остаточного ресурса для синхронного вакуумного выключателя. Одним из представителей устройств, реализующих технологию синхронной (управляемой) коммутации в сетях 6(10) кВ, является синхронный вакуумный выключатель типа EX-BBC SMARTIC 10-20/1000 У3 [16].

 Синхронная (управляемая) коммутация в сравнении с традиционной обладает рядом технических и экономических преимуществ: снижение бросков тока и коммутационных перенапряжений, уменьшение отказов оборудования, сокращение количества текущих ремонтов и повышение срока службы коммутационных аппаратов [17].

  Повышение коммутационного ресурса синхронного выключателя, является, в том числе, и следствием сокращения продолжительности горения дуги при управлении процессом коммутации в установившихся и аварийных режимах. При этом учет длительности горения дуги возможен в режиме реального времени с помощью осциллографа встроенного регистратора данного аппарата без использования дополнительного дорогостоящего оборудования.

 Контактная система выключателей срабатывается в процессе коммутации, ограничивая их срок службы. Поэтому ресурс по коммутационной стойкости высоковольтного выключателя согласно [1] устанавливается как допустимое количество раз отключения максимального тока коммутации, который называется номинальным током отключения.

 На практике текущие токи коммутации располагаются в диапазоне от нуля до номинального тока, при котором разрушение контактов практически не происходит, и до номинального тока отключения, при котором происходит интенсивное разрушение контактов.

 Основной причиной разрушения контактов выключателя является электрическая дуга, как функция коммутируемой энергии. Поэтому учет сработанного ресурса и определение остаточного ресурса выключателей должен базироваться на определении энергии, выделяемой в выключателе в момент коммутации и горения дуги.

Степень термического воздействия тока КЗ определяется значением интеграла Джоуля (Вk)

                                                       (1)

                               (1)

где iкt – ток КЗ в момент времени t; tоткл – продолжительность КЗ.

Тогда тепловой импульс при номинальном токе отключения, заданном в паспортных данных выключателя

,                                      (2)

где  – действующее значение номинального тока отключения выключателя;  – полное время отключения выключателя (собственное время отключения выключателя плюс время гашения дуги).

Термическое воздействие при текущей коммутации рассчитывается

                                         (3)

где  – действующее значение отключаемого тока i-ой коммутации;  – время гашения дуги i-ой коммутации;  – собственное время отключения выключателя. Значение  определяется по паспортным характеристикам аппарата, значения  и  принимаются по осциллограммам встроенного регистратора выключателя.

Выделение в отдельную составляющую времени гашения дуги позволит учесть эффект синхронной (управляемой) коммутации, заключающийся в сокращении продолжительности горения дуги за счет осуществления коммутации вблизи перехода тока через ноль. Общее время протекания тока через аппарат и время горения дуги при этом уменьшаются.

При токах коммутации меньше номинального устойчивая дуга не возникает и ресурс выключателя практически не срабатывается. Поэтому при наработке ресурса выключателя в качестве текущих токов коммутации учитываются только токи выше номинального тока аппарата.

Следует отметить, что аналогичные преобразования можно сделать и для энергии, выделяемой при включении выключателя. Однако ситуации, связанные с включением аппарата на КЗ и высоким износом ресурса, крайне редки, а также, поскольку для большинства выключателей именно при отключениях происходит основной износ элементов дугогасительного устройства, поэтому основной характеристикой коммутационного ресурса является количество отключений токов КЗ.

Если функции отключения и включения у выключателей выполняются одними и теми же контактами, то, как правило, расход коммутационного ресурса при включении существенно меньше, чем при отключении. Если в инструкции по эксплуатации требования к допустимому количеству включений отсутствуют или даны сведения только по суммарному количеству включений и отключений, то расход коммутационного ресурса может не учитываться и не определяться, пока количество включений не превышает 50% количества отключений [6].

Таким образом, в качестве расчетных коммутаций аппарата примем отключение.

Из приведенных выражений видно, что при коммутации с произвольным значением тока  ее термическое воздействие на контактную систему выключателя составляет долю термического воздействия, вызванного коммутацией тока , математически описываемую как

.                                    (4)

Если принять, что ресурс по коммутационной стойкости  выключателя определяется количеством раз отключения номинального тока отключения , и одно отключение такого тока приводит к израсходованию одной единице ресурса, то отключения с током  расходует долю единицы ресурса выключателя.

Таким образом, при каждом отключении выключателя для всех фаз вычисляют величину текущего сработанного ресурса

.                                    (5)

Значения ,  и  принимаются по паспортным характеристикам аппарата, значения  и  определяются по осциллограммам встроенного регистратора выключателя.

Величину суммируют нарастающим итогом для каждой фазы

,

где n – число выполненных отключений.

Нарастающий итог  является сработанным ресурсом для каждой фазы выключателя. При коммутации фаз выключателя свое значение текущего тока коммутации и свое тепловое воздействие, поэтому вычисление сработанного ресурса осуществляется для каждой из фаз отдельно.

Остаточный ресурс выключателя  оценивается по значению сработанного ресурса наиболее изношенной фазы

,                                     (6)

где  – ресурс коммутационной стойкости выключателя при номинальном токе отключения по паспортным данным аппарата;  – сработанный ресурс наиболее изношенной фазы выключателя.

При приближении  к нулю принимается решение о выводе выключателя.

 

Пример реализации методики

Для практического примера реализация предложенного подхода возьмем паспортные данные выключателя ЕХ-ВВС 10-20/1000 У3 [16], для которого:

·        номинальный ток ;

·        номинальный ток отключения;

·        собственное время отключения ;

·        полное время отключения ;

·        ресурс по коммутационной стойкости .

Примем, что выключатель новый (т.е. на текущий момент ).

За год выполнено пять отключений тока КЗ:

·        три отключения тока КЗ, ;

·        одно отключение тока КЗ, ;

·        одно отключение тока КЗ, ;

Данные приняты по осциллограммам встроенного регистратора выключателя. Коммутации токов со значениями меньше номинального согласно подходу в расчете ресурса не учитываются.

.

.

.

.

.

Для упрощения показатели для всех трех фаз приняты одинаковыми. Тогда сработанный за год ресурс для каждой фазы выключателя.

.

Остаточный ресурс после годовой эксплуатации выключателя в данных условиях составит

.

 

Заключение

Результатом исследования является предложение методики определения остаточного коммутационного ресурса синхронного вакуумного выключателя на основе получения в режиме реального времени данных с осциллографа встроенного регистратора аппарата без использования дополнительного дорогостоящего оборудования.

Это позволяет при эксплуатации аппарата:

·        сократить затраты на определение остаточного коммутационного ресурса выключателя;

·        осуществить перевод выключателя на систему технического обслуживания по состоянию, как более экономичную по сравнению с системой планово-предупредительных ремонтов;

·        корректировать межремонтные сроки выключателей на основе более точного определения остаточного ресурса.

 

Работа выполнена в рамках Программы стратегического развития НГТУ, проект С-6.

 

Библиографический список

1.                ГОСТ Р 52565-2006 Выключатели переменного тока на напряжения от 3 до 750 кВ. Общие технические условия. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.gosthelp.ru/gost/gost691.html (Дата обращения: 1.06.2015).

2.                Андреев Д.А., Назарычев И.А. Анализ методов оценки коммутационного ресурса высоковольтных выключателей // Вестник ИГЭУ. – 2008. - № 2, с. 1-15.

3.                Коммутационный ресурс и ток отключения выключателя. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://energetik22.ru/kommutacionnyj-i-tok-otklyucheniya-vyklyuchatelya/ (Дата обращения: 15.06.2015).

4.                IEC TR 62271-310 High-voltage switchgear and controlgear - Part 310: Electrical endurance testing for circuit-breakers of rated voltage 72,5 kV and above. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.iec.ch/dyn/www/f?p=103:20:0::::FSP_ORG_ID,FSP_LANG_ID:1402,25 (Дата обращения: 1.06.2015).

5.                Неклепаев Б.Н., Востросаблин А.А. Методика оценки остаточного ресурса выключателей при эксплуатации // Промышленная энергетика. – 1992. – № 10. – с. 31-32.

6.                Методические указания по определению расхода коммутационного ресурса выключателей при эксплуатации. – М.: ОРГРЭС, 1992.

7.                Пильщиков В.Е. Алгоритм определения состояния объекта по комплексу измеряемых параметров // Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования. Вып. 11. ПиПК. – СПб, 2000. – С. 260–263.

8.                Экспертные системы. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://vibrocenter.ru/expert.htm (Дата обращения: 6.06.2015).

9.                Муссонов Г.П. Способ определения остаточного коммутационного ресурса высоковольтного выключателя (патент РФ № 2489726). [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.freepatent.ru/patents/2489726 (Дата обращения: 6.06.2015).

10.           Максимов Ю.Я. Способ определения коммутационных ресурсов выключателей (патент РФ № 2249828). [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.freepatent.ru/patents/2249828 (Дата обращения: 6.06.2015).

11.           Интеллектуальное устройство управления, мониторинга и диагностики выключателя типа SynchroTeq Plus. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.vniir.ru/rza/vizimax (Дата обращения: 6.06.2015).

12.           Высоковольтные силовые выключатели от 72,5 кВ до 800 кВ. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.energy.siemens.com/ru/pool/ru/PowerTransmission/SHVP/Downloads/Portfolio_ru.pdf (Дата обращения: 6.06.2015).

13.           Мониторинг состояния элегазовых выключателей. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.abb.ru/product/db0003db002618/e538e214cc1377bcc12576230027dddc.aspx (Дата обращения: 6.06.2015).

14.           АВМ-В, АВМ-ВК Система мониторинга высоковольтного выключателя. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.asu-vei.ru/production/circuit_breakers/control_and_monitoring/avm-v/ (Дата обращения: 6.06.2015).

15.           Ресурс выключателя. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.gosan.ru/diagnostic/resurs (Дата обращения: 6.06.2015).

16.           Синхронные вакуумные выключатели ЕХ-ВВС 10-20/1000 У3. Руководство по эксплуатации. ПИКС216.1.13РЭ. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://keps.pro/sites/default/files/resvv216.pdf (Дата обращения: 1.06.2015).

17.           Ачитаев А.А., Павлюченко Д.А., Прохоренко Е. В., Шевцов Д. Е. Применение синхронной коммутации для ограничения коммутационных перенапряжений // Главный энергетик. – 2014. – № 3. – С. 50-56.


Возврат к списку

Взаимовыгодное
сотрудничество

Команда профессионалов

Предлагаем расти и
развиваться вместе

Современные решения

Закрыть